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变截面箱梁景观桥结构设计研究

2019/07/03 阅读:

摘要:预应力混凝土变截面连续箱梁是城市景观桥梁建设中较多采用的结构形式。某跨径布置为19m+30m+19m的变截面连续箱梁,两幅布置,中间镂空。上部采用无悬臂单箱七室箱梁,下部采用薄壁式桥台、花瓶墩、钻孔灌注桩基础。桥墩和箱梁外立面施作清水混凝土浇筑的装饰板。装饰板内布置钢筋网,和主梁结构伸出的预埋钢筋相连接。结构验算表明,主梁结构的正截面抗弯承载力、斜截面抗剪承载力、抗裂验算和挠度验算均满足规范要求。变截面连续箱梁景观桥设计时,主体结构按照常规变截面连续梁设计,外立面施工装饰板,既能简化设计过程,又能达到良好的景观效果。

关键词:变截面连续箱梁;景观桥梁;装饰板;结构验算

1引言

目前市政基础设施规划设计,往往注重景观效果。城市桥梁设计需做到结构与景观设计相结合,景观效果与城市规划相协调。预应力混凝土变截面连续箱梁,因其具有结构受力合理、施工方便、行车平顺性好等优点,在城市桥梁建设中广泛采用。学者对预应力变截面连续箱梁的受力特征[1]和施工控制[2]进行了较多的研究,对拱桥[3]、斜拉桥[4]和悬索桥[5]的景观设计也有所研究,而对跨径较小的变截面连续梁的景观设计研究较少。某跨径布置为19m+30m+19m的变截面连续箱梁景观桥,主体结构按照常规变截面连续梁设计,外立面施作装饰板,采用有限元分析软件midas,对箱梁结构进行计算分析,对景观设计进行探讨。

2桥梁总体设

郑州航空港经济综合实验区南部片区河流众多,桥梁密集。该区桥梁注重景观设计,与城市设计相融合,提升城市魅力。该片区某变截面连续梁桥在结构设计中,考虑景观因素,做到结构设计与景观造型相融合,与片区规划相协调。该桥梁所在道路为城市主干道,道路中心线与规划河道中心线呈82°斜交,道路规划红线60m,标准横断面布置型式为:60m(红线)-11.5m(绿化带)-15m(车行道)-7m(绿化带)-15m(车行道)-11.5m(绿化带)。规划河道底宽20m,百年一遇水位103.224m,坡比为1∶5,坡顶设计4m宽马道。场地地貌单元为山前冲洪积平原,场地最上层为素填土,往下为粉土、粉土夹粉砂、粉质黏土。桥梁总长68m,桥跨布置为19m+30m+19m,上部结构为预应力混凝土变截面箱梁。桥梁总宽度设计为60.6m,两幅布置,断面布置为:0.3m(栏杆)+3m(人行道)+23.5m(车行道)+0.5m(防撞墙)+6m(镂空)+0.5m(防撞墙)+23.5m(车行道)+3m(人行道)+0.3m(栏杆)。桥台采用薄壁式桥台,桥墩采用花瓶墩,基础为钻孔灌注桩基础。全桥一联,桥台处设置D-80型伸缩缝。采用满堂支架现浇施工。桥梁总体布置见图1。桥梁景观设计主题是“繁荣、富贵”,在变截面连续梁外立面和花瓶墩外侧做以装饰,形成流线式的弧线造型,主色调为白色,与片区规划和其他桥梁设计相协调。桥梁景观效果见图2[6]。

3主梁结构设计

3.1结构设计及配筋

上部结构采用变高度A类预应力混凝土连续箱梁,C50清水混凝土现浇。主梁采用单箱七室断面,中支点处梁高为2.2m,端支点处梁高为1.2m。中间呈抛物线变化。箱梁顶板厚0.25m,底板厚0.25m,腹板厚0.45m,箱梁支点处腹板加厚至1m(考虑梁端预应力钢束布置),顶板加厚至0.4m,底板加厚至0.85m。中横梁宽度2.0m,端横梁宽度1.2m。主梁跨中横断面见图3[7]。现浇主梁纵向预应力钢束均布置在腹板内,采用12ΦS15.2钢绞线,分上下两排配置,全桥共配置32束。两端张拉。预应力钢束立面布置见图4。预应力管道采用符合真空压浆工艺的塑料波纹管成孔。普通钢筋采用HPB300、HRB400钢筋。

3.2主梁结构验算

3.2.1主梁计算模型主梁计算采用空间分析程序Midas,全桥共划分46个计算单元。桥梁计算模型见图5。考虑主梁结构产生的一期恒载和桥面铺装、人行道和栏杆等产生的二期恒载。汽车荷载采用城市-A级,人群荷载取为3.6kPa[8]。桥台沉降量按5mm考虑,中墩沉降量按10mm考虑。考虑整体升降温和温度梯度的作用以及10年的混凝土收缩徐变。

3.2.2持久状况承载能力极限状态计算(1)正截面抗弯承载力验算主梁的正截面抗弯承载力验算结果见图6。图中上方曲线为主梁能承受的最大弯矩,下方曲线为结构实际承受的弯矩。主梁跨中正弯矩最大,为4976kN•m。桥墩支座处负弯矩最大,为-7346kN•m。各截面处弯矩均小于该处能承受的最大弯矩,主梁正截面抗弯承载力满足规范要求[9]。图6正截面抗弯承载力验算结果(单位:kN•m)(2)斜截面抗剪承载力验算图中上方曲线为主梁能承受的最大弯矩,下方曲线为结构实际承受的弯矩。主梁跨中正弯矩最大,为4976kN•m。桥墩支座处负弯矩最大,为-7346kN•m。各截面处弯矩均小于该处能承受的最大弯矩,主梁正截面抗弯承载力满足规范要求[9]。(2)斜截面抗剪承载力验算主梁的斜截面抗剪承载力验算结果见图7。图中上方曲线为主梁各截面能承受的最大剪力,下方曲线为结构实际承受的剪力。桥墩支座处剪力最大,为2406kN。各截面处剪力均小于该处能承受的最大剪力,主梁斜截面抗剪承载力满足规范要求[9]。

3.2.3持久状况正常使用极限状态计算(1)正截面抗裂验算正截面抗裂验算结果见图8。图中曲线为扣除预加力后主梁抗裂验算边缘混凝土法向拉应力,直线为该拉应力限值。在作用短期效应组合下,混凝土法向拉应力未超过限值0.855MPa。在作用长期效应组合下,混凝土法向拉应力未超过限值0,即不产生拉应力[9]。(2)斜截面抗裂验算正截面抗裂验算结果见图9。图中曲线为作用短期效应组合和预加力产生的混凝土主拉应力,直线为该主拉应力限值,即混凝土抗拉强度标准值的一半[9]。计算结果表明,主拉应力未超过该限值。(3)挠度验算主梁在作用短期效应作用下跨中挠度最大,为3.115mm。考虑长期效应的影响,挠度为4.44mm,小于计算跨径的1/600,即50mm。主梁挠度验算满足规范要求[9]。

4主梁景观设计

主梁采用无悬臂的箱梁结构,方便在侧立面施工装饰板。侧立面装饰板采用清水混凝土浇筑,箱梁处装饰板采用和箱梁同标号的清水混凝土和箱梁同时浇筑。装饰板构造布置见图10与图11[7]。主梁两个外侧面和中间镂空带两个侧面均施作装饰板。装饰板中布置直径12mm钢筋网片。主梁和桥墩施工中预埋直径20mmHRB400钢筋,间距30cm,呈梅花状布置,伸出主梁和桥墩侧面。钢筋网片和预埋钢筋焊接,装饰板与主体结构形成整体。

5结论

某跨径布置为19m+30m+19m的变截面连续箱梁,桥墩和箱梁侧面外包装饰板,采用有限元分析软件midas,验算了该结构设计的合理性:(1)主梁采用无悬臂的箱梁结构,方便在侧立面施工装饰板。装饰板采用清水混凝土浇筑,达到良好的色彩效果。(2)装饰板中布置直径12mm钢筋网片。主梁和桥墩施工中预埋直径20mmHRB400钢筋,伸出主梁和桥墩侧面。钢筋网片和预埋钢筋焊接,装饰板与主体结构形成整体。(3)主体结构按照常规变截面连续梁设计,主梁结构在腹板内布置32束12ΦS15.2钢绞线。结构验算表明,主梁结构的正截面抗弯承载力、斜截面抗剪承载力、抗裂验算和挠度验算均满足规范要求。(4)变截面连续箱梁景观桥设计时,主体结构按照常规变截面连续梁设计,外立面施工装饰板,既能简化设计过程,又能达到良好的景观效果。

参考文献:

[1]朱亚龙,刘胜.P.C变截面连续箱梁设计要点分析[J].长沙大学学报,2018,32(5):13-16.

[2]杨永胜.裕溪河特大桥48+80+48m连续箱梁悬臂施工控制技术研究[J].工程技术研究,2018,(10):74-75.

[3]倪建.城市多孔小跨径景观拱桥结构设计[J].城市道桥与防洪,2015,(8):68-70.

[4]崔真榕,梁栓柱,邹晴晴.城市斜拉桥景观设计探讨[J].山西建筑,2016,42(12):167-168.

[5]黄雯,郑明万,徐丰,等.景观悬索桥装饰缆索的找形与内力计算[J].东北大学学报(自然科学版),2015,36(1):143-147.

[6]郑州市市政工程勘测设计研究院.郑州航空港经济综合实验区(郑州新郑综合保税区)双鹤湖路跨梅河支流桥梁工程项目建议书[Z].2016.7.

[7]郑州市市政工程勘测设计研究院.郑州航空港经济综合实验区(郑州新郑综合保税区)双鹤湖路跨梅河支流桥梁工程施工图[Z].2016.7.

[8]中华人民共和国住房和城乡建设部.城市桥梁设计规范:CJJ11-2011[S].北京:中国建筑工业出版社,2011:5-7.

[9]中华人民共和国交通运输部.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范:JTG3362-2018[S].北京:人民交通出版社股份有限公司,2018:64-82.

作者:王一鸣 王浩璇 单位:河南工程学院土木工程学院

变截面箱梁景观桥结构设计研究

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